СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАЗОГРЕВОМ РЕАКТОРА Российский патент 1996 года по МПК G21C7/08 G21C7/36 

Изобретение относится к области ядерной энергетики и касается способа управления заключительным этапом разогрева ядерного реактора во время его энергетического пуска, когда имеется отрицательный температурный эффект реактивности и управление предыдущим этапом разогрева осуществлялось по мощности ядерного реактора при постоянном уровне задающего воздействия.

Известны способы управления энергетическим пуском ядерного реактора (ЯР), в которых аналогично предлагаемому способу перед пуском ЯР задаются сигналы управляющих установок по мощности реактора, регулируемой температуре, времени и др. Значения этих установок определяются в результате расчетно-экспериментального исследования процесса управления.

Непосредственно во время энергетического пуска ЯР сначала используют управление по мощностному каналу, с помощью которого отслеживают изменение задающего воздействия, а затем переходят на управление по другой физической переменной, например, по регулируемой температуре. При любом управляющем сигнале его подают на вход исполнительного механизма (ИМ), который перемещает регулирующие органы (РО), изменяющие реактивность [1]
В описанном способе предлагается после достижения сравнительно небольшого уровня регулируемой температуры переходить с управления по мощности на управление по температуре. Работа температурного канала управления в широком диапазоне изменения температуры (на протяжении более 350 К) усложняет усиление сигнала первичного преобразователя температуры, а существующая инерционность связи между мощностью и температурой приводит к необходимости снижения коэффициента усиления как прямого температурного канал, так и в цепи коррекции его динамической характеристики. Затем на номинальном режиме эффективность цепи коррекции приходится увеличивать для обеспечения требуемого качества регулирования. Рассматривается вариант коррекции с помощью мощностного канала, задающее воздействие которого изменяется в зависимости от интеграла сигнал рассогласования по температуре.

Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ управления энергетическим пуском ЯР, включающий как упомянутый этап определения и последующего задания сигналов для управляющих установок, так и этап управления по мощности при постоянном уровне задающего воздействия, во время которого измеряют время и физические переменные, в том числе регулируемую температуру, а в установленный момент времени сравнивают установленный сигнал по температуре с измеренным и при положительном результате этого сравнения возобновляют увеличение мощности реактора, затем при получении отрицательного сигнала рассогласования между заданным и измеренным значениями физической переменной формируют по нему сигнал, характеризующий окончание разогрева ядерного реактора и переход на регулирование этой физической переменной [2]
В способе-прототипе [2] переход с управления по мощности на регулирование другой физической переменной осуществляется после достижения этой переменной заданного (предельного) для пускового процесса уровня. Фактически осуществляется ограничение величины физической переменной, которое проще в реализации, чем задача управления в способе-аналоге [1] Использование в прототипе широкого диапазона управления по мощности ЯР является традиционным и достаточно хорошо отработанным. Также общеизвестны преимущества динамической характеристики управления по мощности по сравнению с управлением по температуре.

В качестве задающего воздействия при управлении по мощности ЯР обычно используют программное изменение электрического тока ионизационной камеры (ИК), которое выбирают в соответствии с расчетным изменением мощности ЯР. В прототипе программа предусматривает увеличение задающего воздействия до допустимого постоянного уровня. Сигнал уставки этого уровня определяют по pезультатам градуировки ИК.

Погрешность градуировки ИК может привести к превышению предельно допустимого уровня мощности ЯР. Ограничение мощности в прототипе осуществлялось путем выбора постоянного уровня задающего воздействия, равного расчетному номинальному уровню. Предполагалось, что мощность ЯР не превысит значение, равное (N_ном+ΔN+max

), которое считалось допустимым, где N_ном - номинальное значение мощности, а ΔN+max ожидаемая максимальная положительная погрешность определения мощности вследствие погрешности градуировки ИК.

С момента превышения заданной величины физической переменной (электрического тока или регулируемой температуры) мощность ЯР снижалась в процессе ограничения этой переменной.

С другой стороны, при отрицательной погрешности определения мощности величина ее может оказаться недостаточной, чтобы обеспечить требуемый разогрев ЯР за данное время. Для компенсации этой погрешности в прототипе предусмотрены "форсаж" мощности, при котором возобновляется увеличение задающего воздействия с прежней скоростью до нового предусмотренного уровня, если к установленному моменту времени сигнал, пропорциональный регулируемой температуре, окажется меньше сигнала соответствующей уставки (установленного значения).

Недостатком известного способа является выбор постоянного уровня задающего воздействия по номинальному значению мощности ЯР, так как величина (N_ном+ΔN+max

) может не совпадать с максимально допустимым значением мощности ЯР. Также увеличение задающего воздействия при "форсаже" мощности до заранее установленного уровня может не обеспечить выполнение требований к величине мощности, которая, с одной стороны, не должна превышать максимально допустимую мощность ЯР, а с другой должна обеспечить заданный разогрев ЯР за установленное время. Кроме того, "форсаж" усложняет вид задающего воздействия, а "слежение" за его изменением осуществляется при достаточно напряженной работе ИМ путем знакопеременного перемещения ИК. При этом среднеинтегральная скорость перемещения РО в сторону увеличения реактивности будет существенно ниже мгновенного значения этой скорости.

Задача, на выполнение которой направлено настоящее изобретение, - повышение надежности выполнения ограничений при управлении разогревом ЯР как на максимально допустимую мощность ЯР, так и на продолжительность процесса разогрева, а также упрощение и повышение надежности управления на заключительном этапе разогрева, в том числе, возможность завершения разогрева при отказе температурного канала регулирования, кроме того, сокращение продолжительности заключительного этапа при отрицательных и некоторых (небольших по величине) положительных значениях погрешности определения мощности ЯР (аналогично погрешностях градуировки ИК).

Технический результат заключается в выборе сигналов управляющих уставок и скорости перемещения РО, предотвращающих увеличение мощности за предельно допустимый уровень, а также в использовании управления по внешнему разомкнутому каналу на участке процесса разогрева, характеризующемся отрицательным температурным эффектом реактивности, при наличии положительного сигнала рассогласования по физической переменной, для чего на вход ИМ подключают постоянный сигнал. Начало работы разомкнутого канала задается в зависимости от температурного состояния ЯР в установленный момент времени при постоянной мощности ЯР, и эта работа продолжается вплоть до получения сигнала об окончании процесса разогрева ЯР, по которому постоянный сигнал отключают от входа ИМ. Окончание процесса разогрева по достижению заданного положения РО обеспечивает выход на номинальный режим даже при отказе температурного канала управления.

Этот результат достигается тем, что после определения и задания сигналов управляющих уставок управление разогревом ЯР осуществляется по его мощности, когда РО перемещаются в зависимости от управляющего сигнала на входе ИМ, и на участке разогрева ЯР при постоянном значении задающего воздействия, отрицательном температурном эффекте реактивности, положительном сигнале рассогласования и положительном результате сравнения установленного сигнала по температуре с измеренным, начиная с установленного момента времени, на вход им вместо управляющего сигнала по мощности подключают постоянный сигнал, тем самым переходя на разомкнутое управление, в результате чего возобновление увеличения мощности осуществляют путем перемещения РО с меньшей скоростью в направлении увеличения реактивности, кроме того, через заданный отрезок времени после установленного момента времени указанное подключение постоянного сигнала осуществляют даже в случае неположительного результата указанного сравнения, но при обязательном выполнении остальных вышеперечисленных характеристик реактора и его температурного состояния, и сохраняют упомянутое разомкнутое управление вплоть до получения сигнала об окончании разогрева ЯР, по которому постоянный сигнал отключают от входа ИМ.

Однако при недостаточной суммарной величине отрицательного температурного коэффициента реактивности и уменьшении сигнала рассогласования до нулевого значения после возобновления увеличения мощности уменьшают постоянную скорость перемещения РО, например, уменьшением величины постоянного сигнала, уменьшая тем самым величину максимума мощности.

Причем в качестве сигнала об окончании разогрева ЯР используют отрицательный сигнал рассогласования.

Также расчетно-экспериментальным путем определяют положение РО, соответствующее номинальному режиму работы реактора, по величине сигнала в канале измерения этого положения задают уставку положения РО, после чего во время пуска сравнивают сигналы установленного положения РО с измеренным и при неположительном результате этого сравнения и неотрицательном сигнале рассогласования формируют сигнал об окончании разогрева ЯР, который приводит к остановке РО. При этом указанный постоянный уровень задающего воздействия устанавливают по величине сигнала в канале измерения мощности ЯР, соответствующего ее максимально допустимому значению, уменьшенному на величину максимальной положительной погрешности измерения мощности в мощностном канале управления.

Кроме того, во время предварительного расчетно-экспериментального исследования разогрева реактора находят величины погрешностей прогноза изменения регулируемой температуры и ее измерения, в начале установившегося режима разогрева твэлов реактора после выхода его мощности на максимальный постоянный уровень сравнивают значение регулируемой температуры, уменьшенное на абсолютную величину отрицательной погрешности ее прогноза, с заданным конечным значением регулируемой температуры, и сигнал на выходе канала измерения регулируемой температуры, соответствующий полученному результату, задают в качестве указанного установленного сигнала по температуре.

Вместе с тем в процессе расчетно-экспериментального исследования разогрева реактора на участке после выхода его мощности на максимально допустимый постоянный уровень определяют момент времени, в который сигнал в канале измерения регулируемой температуры возрастает до величины сигнала, соответствующего установленному сигналу температуры, уменьшенному на абсолютную величину отрицательной погрешности измерения температуры, и этот момент задают в качестве установленного момента времени.

Также при определении установленного момента измерения времени осуществляют с момента достижения упомянутого максимально допустимого постоянного уровня задающего воздействия.

Кроме того, в процессе расчетно-экспериментального исследования разогрева реактора определяют заданный отpезок времени после установленного момента, начиная с которого, даже в случае неположительного результата указанного сравнения установленного сигнала по температуре с измеренным, осуществляется упомянутое подключение постоянного сигнала на вход ИМ и возобновляется увеличение мощности до уровня, не превышающего ее максимально допустимое значение, уменьшенное на величину рассматриваемой в данном исследовании положительной погрешности измерения мощности.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где сплошными линиями показано изменение во времени t задающего воздействия (I_ад), мощности ЯР (N), регулируемой температуры (Т) и положения РО (Н) в процессе управления разогревом ЯР по предлагаемому способу. Причем изменение мощности N соответствует варианту отрицательной погрешности, равной ΔN+max

. Для этой же погрешности построены штриховыми линиями кривые изменения перечисленных физических переменных при управлении по способу-прототипу.

Кривые, построенные штрих-пунктирными линиями, иллюстрируют предельно допустимый режим разогрева ЯР при максимальной положительной погрешности определения мощности, который идентичен для предлагаемого способа и его прототипа.

Кроме того, на фигуре линиями штрих с треугольниками построены кривые, иллюстрирующие изменение физических переменных в предлагаемом способе в случае реализации небольшой положительной погрешности ΔN⁺<ΔN+max

(при t<t_уст он идентичен прототипу). Тем не менее мощности, равной (N_ад+ΔN⁺), должно быть достаточно, и чтобы (Т_уст(t_уст) T_ад) было положительным, а значит в интервале времени t_уст<t≅(t_уст+Δt_уст) мощность будет поддерживаться на постоянном уровне.

На фигуре также отмечены:
t_k,i, i=1-3 моменты окончания разогрева ЯР (причем при N = ΔN_max реализуется t_k=t_уст);
T_уст установленное значение (управляющая уставка) регулируемой температуры;
T_max, T_ад предельно допустимое и заданное значения регулируемой температуры;
T_max= T_ад+ΔT_max, где ΔT_max допустимое превышение уровня Т_ад;
(I_ад+ΔI_ф) новый (предусмотренный) уровень задающего воздействия (в прототипе);
Н_ад положение РО на номинальном режиме ЯР (заданное положение РО).

Пример осуществления способа.

Перед энергетическим пуском ЯР выполняют градуировку ИК по тепловой мощности ЯР и проводят расчетно-экспериментальное исследование пускового процесса. Во время исследования определяют значения физических переменных, соответствующие управляющим уставкам, и уточняют погрешности прогноза изменения этих переменных и погрешности их измерения. С учетом полученных погрешностей и характеристик первичных преобразователей физических переменных определяют величины сигналов, задаваемых в качестве управляющих уставок. Кроме того, выбирают программу изменения задающего воздействия (электрического тока ИК) управления по мощности ЯР. При этом постоянный уровень задающего воздействия перед моментом t_уст определяют по максимально допустимому значению мощности, уменьшенному на величину максимальной погрешности ее определения. Установленное значение температуры также занижается на абсолютную величину отрицательной погрешности прогноза изменения температуры. Аналогично при определении установленного момента времени указанное установленное значение температуры занижается на абсолютную величину отрицательной погрешности измерения регулируемой температуры. Причем установленное значение температуры определяют в начале установившегося режима разогрева твэлов ЯР после выхода его мощности на максимальный постоянный уровень. Этому режиму соответствует минимальная погрешность расчетно-экспериментального исследования разогрева ЯР, так как он характеризуется окончанием переходных процессов в твэлах после стабилизации мощности, в результате чего минимизируется влияние неопределенностей в величинах термических сопротивлений в твэлах на уровень выходной температуры теплоносителя ЯР (которая обычно выбирается в качестве регулируемой температуры).

Указанный выбор Т_уст и t_уст исключает возможность увеличения мощности с момента t_уст, тем самым повышая надежность ограничения максимума мощности. При любом сочетании погрешностей градуировки ИК и определения температуры в случае реализации максимально допустимого уровня мощности, измеренное значение регулируемой температуры всегда будет в момент t_уст выше, чем установленное значение Т_уст (t_уст) (см. штрихпунктирные линии на фигуре).

С другой стороны, реализация меньшей положительной погрешности, а тем более реализации отрицательной погрешности определения мощности приводит к увеличению продолжительности разогрева ЯР. Для варианта отрицательной погрешности в прототипе предусмотрен "форсаж" мощности, начиная с момента t_уст, который частично компенсирует указанный недостаток (см. штриховые линии на фигуре).

В предлагаемом способе, разработанном для реакторов, имеющих при t>t_уст отрицательный температурный эффект реактивности (внутреннюю отрицательную температурную обратную связь) возобновление увеличения мощности при t≥t_уст осуществляется за счет перемещения РО с постоянной скоростью (управление по разомкнутому каналу).

Необходимым условием выполнения "форсажа" мощности в прототипе является недогрев ЯР до установленного значения температуры к моменту t_уст (т.е. положительный результат сравнения установленного сигнала по температуре с сигналом по каналу измерения температуры). В предлагаемом способе дополнительно предусматривается возобновление увеличения мощности даже в случае разогрева выше установленного значения температуры (отрицательный результат сравнения), но через заданный отрезок времени (Δt_уст) после момента t_уст, если в течение этого отрезка времени не появится сигнал об окончании процесса разогрева ЯР (см. линии штрих с треугольником на фигуре).

Такой режим разогрева реализуется при положительной погрешности определения мощности. Величина Δt_уст, выбирается расчетно-экспериментальным путем. В течение времени Δt_уст продолжается разогрев ЯР при постоянной мощности, причем уровень этого разогрева (а значит и Δt_уст определяется из условия, что после возобновления увеличения мощности в момент (t_уст+Δt_уст) сигнал об окончании разогрева появляется раньше, чем мощность ЯР достигает уровня, который будет меньше максимально допустимого значения на величину погрешности измерения мощности, для которой исследовался процесс управления. Естественно, что данное ограничение должно выполняться для любой погрешности ΔN⁺<ΔN+max

.
В предлагаемом способе скорость разогрева ЯР после возобновления увеличения мощности и максимум этого увеличения зависят от скорости перемещения РО и величины суммарного отрицательного температурного коэффициента реактивности (ТКР). Поэтому ограничение скорости разогрева ЯР может быть обеспечено выбором соответствующей скорости перемещения РО, хотя выброс мощности ЯР может превысить допустимую величину. Для ограничения выброса мощности при малой абсолютной величине ТКР достаточно уменьшить скорость перемещения РО (уменьшить величину постоянного сигнала на входе ИМ) с момента уменьшения сигнала рассогласования до нулевого значения, т.е. с момента увеличения сигнала по каналу измерения температуры до уровня зоны нечувствительности;
(T_ад-Т_max)<(T_ад+Т_max).

Этот уровень практически является достаточным для окончания процесса разогрева, т. е. можно пренебречь уменьшением скорости разогрева в пределах указанной зоны нечувствительности. Тем не менее перемещение РО будет продолжаться вплоть до формирования действительного сигнала об окончании разогрева ЯР, по которому постоянный сигнал отключают от входа ИМ.

В качестве такого сигнала предлагается использовать как отрицательный сигнал рассогласования, т. е. (T_ад+Т_max) T(t_к)<0, так и сигнал, который формируется при достижении заданного положения РО (неположительный результат сравнения сигнала установленного положения РО с сигналом в канале измерения этого положения, т.е. Н_ад Н(t_к)<0). Заданное положение РО (как правило, оно соответствует номинальному режиму) определяют на этапе расчетно-экспериментального исследования разогрева ЯР, и по величине сигнала при измерении этого положения задают сигнал управляющей установки. Такая методика особенно эффективна при повторяющихся однотипных условиях энергетического пуска ЯР. Некоторые особенности предстоящего пуска по содержанию с предыдущим, например, из-за различного выгорания ядерного топлива или других начальных температурных условиях и т.п. учитывают путем корректировки сигнала управляющей установки.

С целью повышения точности задания t_уст отсчет времени можно вести с момента достижения максимально допустимого постоянного уровня задающего воздействия.

Таким образом, предлагаемый способ обладает существенными отличиями от известного технического решения и может быть применен для управления заключительным этапом разогрева ЯР во время его энергетического пуска, когда на этом этапе в ЯР имеется отрицательный температурный эффект реактивности.

Использование: для управления ядерным реактором на заключительном этапе его разогрева во время энергетического пуска. Сущность изобретения: после определения и задания сигналов управляющих установок управление разогревом ядерного реактора осуществляется по его мощности. Регулирующие органы перемещаются в зависимости от управляющего сигнала на входе исполнительного механизма. При этом на участке разогрева ядерного реактора при постоянном значении задающего воздействия, отрицательном температурном эффекте реактивности, положительном сигнале рассогласования и положительном результате сравнения установленного сигнала по температуре с измеренным, начиная с установленного момента времени, на вход исполнительного механизма вместо управляющего сигнала по мощности подключают постоянный сигнал. В результате этого возобновление увеличения мощности осуществляют путем перемещения регулирующего органа с меньшей скоростью в направлении увеличения реактивности. Кроме того, через заданный отрезок времени после установленного момента времени указанное подключение постоянного сигнала осуществляют даже в случае неположительного результата указанного сравнения, но при обязательном выполнении остальных вышеперечисленных характеристик реактора и его температурного состояния. Подобное управление сохраняют вплоть до получения сигнала об окончании разогрева ядерного реактора, по которому постоянный сигнал отключают от входа исполнительного механизма. 8 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления разогревом реактора во время его энергетического пуска, когда регулирующие органы перемещаются в зависимости от управляющего сигнала на входе исполнительного механизма, включающий этап определения расчетно-экспериментальным путем и последующего задания сигналов для управляющих уставок, в том числе максимального постоянного уровня задающего воздействия мощностного канала управления, установленных значений температуры и временного интервала, уровня регулируемой температуры, заданного для пускового процесса, например ее конечного уровня, а также включающий этап управления по мощности при постоянном уровне задающего воздействия, во время которого измеряют время и физические переменные, в том числе регулируемую температуру, а в установленный момент времени сравнивают установленный сигнал по температуре с измеренным и при положительном результате этого сравнения возобновляют увеличение мощности реактора, затем при получении отрицательного сигнала рассогласования между заданным и измеренным значениями физической переменной формируют по нему сигнал, характеризующий окончание разогрева ядерного реактора и переход на регулирование этой физической переменной, отличающийся тем, что на участке разогрева ядерного реактора при постоянном значении задающего воздействия, отрицательном температурном эффекте реактивности, положительном сигнале рассогласования и положительном результате сравнения установленного сигнала по температуре с измеренным, начиная с установленного момента времени, на вход исполнительного механизма вместо управляющего сигнала по мощности подключают постоянный сигнал, тем самым переходя на разомкнутое управление, в результате чего возобновление увеличения мощности осуществляют путем перемещения регулирующих органов с меньшей скоростью в направлении увеличения реактивности, кроме того, через заданный отрезок времени после установленного момента времени указанное подключение постоянного сигнала осуществляют даже в случае неположительного результата указанного сравнения, но при обязательном выполнении остальных перечисленных характеристик реактора и его температурного состояния, и сохраняют упомянутое разомкнутое управление вплоть до получения сигнала об окончании разогрева ядерного реактора, по которому постоянный сигнал отключают от входа исполнительного механизма. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при недостаточной суммарной величине отрицательного температурного коэффициента реактивности и уменьшении сигнала рассогласования до нулевого значения после возобновления увеличения мощности уменьшают постоянную скорость перемещения регулирующих органов, например, уменьшением величины постоянного сигнала, уменьшая тем самым величину максимума мощности. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сигнала об окончании разогрева ядерного реактора используют отрицательный сигнал рассогласования. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расчетно-экспериментальным путем определяют положение регулирующих органов, соответствующее номинальному режиму работы реактора, по величине сигнала в канале измерения этого положения задают установку положения регулирующих органов, после чего во время пуска сравнивают сигналы установленного положения регулирующих органов и измеренного и при неположительном результате этого сравнения и неотрицательном сигнале рассогласования формируют сигнал об окончании разогрева ядерного реактора, который приводит к остановке регулирующих органов. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный постоянный уровень задающего воздействия устанавливают по величине сигнала в канале измерения мощности ядерного реактора, соответствующего ее максимально допустимому значению, уменьшенному на величину максимальной положительной погрешности измерения мощности в мощностном канале управления. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время предварительного расчетно-экспериментального исследования разогрева реактора находят величины погрешностей прогноза изменения регулируемой температуры и ее измерения, в начале установившегося режима разогрева твэлов реактора после выхода его мощности на максимальный постоянный уровень сравнивают значение регулируемой температуры, уменьшенное на абсолютную величину отрицательной погрешности ее прогноза, с заданным конечным значением регулируемой температуры, меньшее из этих значений дополнительно уменьшают на положительную величину погрешности измерения температуры и сигнал на выходе канала измерения регулируемой температуры, соответствующий полученному результату, задают в качестве указанного установленного сигнала по температуре. 7. Способ по пп. 1, 5 и 6, отличающийся тем, что в процессе расчетно-экспериментального исследования разогрева реактора на участке после выхода его мощности на максимально допустимый постоянный уровень определяют момент времени, в который сигнал в канале измерения регулируемой температуры возрастает до величины сигнала, соответствующего установленному сигналу температуры, уменьшенному на абсолютную величину отрицательной погрешности измерения температуры, и этот момент задают в качестве установленного момента времени. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что при определении установленного момента измерение времени осуществляют с момента достижения упомянутого максимально допустимого постоянного уровня задающего воздействия. 9. Способ по пп. 1, 7 и 8, отличающийся тем, что в процессе расчетно-экспериментального исследования разогрева реактора определяют заданный отрезок времени после установленного момента, начиная с которого, даже в случае неположительного результата указанного сравнения установленного сигнала по температуре с измеренным, осуществляется упомянутое подключение постоянного сигнала на вход исполнительного механизма и возобновляется увеличение мощности до уровня, не превышающего ее максимально допустимое значение, уменьшенное на величину рассматриваемой в данном исследовании положительной погрешности измерения мощности.